CN120214099A 基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统及方法

(19)国家知识产权局(71)申请人四川华腾公路试验检测有限责任公司地址611700四川省成都市郫都区成都现代工业港南片区西源大道4229号申请人四川高速公路建设开发集团有限公司(72)发明人叶勇先唐堂易垚邹时贵樊韬申贵(74)专利代理机构成都正德明志知识产权代理有限公司51360专利代理师李聪G01N(54)发明名称基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统及方法本发明公开基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统及方法，属于桥梁工程检测技术领域，激发装置在桥面位置施加冲击力激发导波信号，结合桥墩周围布置的多点传感器阵列同步接收信号，实现对桥墩基础冲刷的高效、精准检测。本发明通过数据采集模块对接收到的信号进行数字化处理，提取关键特征参数并结合数值模拟和机器学习算法，建立冲刷深度与信号特征之间的映射关系，最终实现冲刷区域的定位和深度定量评估，避免了水下作业的高成本和高风↓21.基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统，其特征在于，包括相互电性连接所述激发装置设置于桥梁上，用于产生导波信号；所述传感器模块包括设置于桥墩基础不同高度上的水上加速度传感器和水下水听传感器；所述数据采集模块用于接收传感器模块采集的信号数据并对信号数据进行数字化处所述信号处理模块对数字化处理后的信号数据进行预处理并存储；所述数值模拟模块通过建立三维有限元模型，模拟导波在不同介质中的传播特性，获取导波传播特性；所述智能分析模块建立导波特征参数与冲刷深度的非线性映射关系，实现冲刷区域的自动定位和深度定量评估。2.根据权利要求1所述的基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统，其特征在于，所述激发装置设置于桥梁的伸缩缝、支座位置或桥面上。3.一种基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测方法，采用上述权利要求1~2任一所述的于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统，其特征在于，基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测方法包括步骤：波信号沿桥梁结构传递至桥墩和基础；S2、在桥墩水上部分的不同高度位置布置水上加速度传感，在桥墩水下部分的不同深度位置布置水下水听传感器，水上加速度传感和水下水听传感器同步接收导波信号的传S3、通过数据采集模块对接收到的导波信号进行实时同步采集并对导波信号进行数字化处理，通过信号处理模块对数字化处理后的导波信号进行预处理并存储；S4、对预处理的导波信号进行导波信号特征参数提取，获得导波信号特征参数；S5、通过数值模拟模块构建桥墩-土壤-水域耦合有限元模型，模拟不同冲刷深度条件下导波的传播特性；S6、通过智能分析模块建立导波信号特征与冲刷深度的非线性映射关系，完成冲刷区域的自动定位和深度定量评估。4.根据权利要求3所述的基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述激发装置为落锤装置，激发装置对桥梁施加冲F(t)=Fo·sin(wt);激发装置冲击力的激发频率fexcite的计算公式为：其中，F(t)表示随时间变化的冲击力，用于在桥面产生导波信号；F₀表3幅值；W表示角频率，t表示时间；v为导波在桥墩材料中的传播速度；E为桥墩材料弹性模5.根据权利要求3所述的基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测方法，其特征在于，在步骤S2中，水上加速度传感和水下水听传感器接收到的导波信号满足波动方程：为位移场。6.根据权利要求3所述的基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测方法，其特征在7.根据权利要求3所述的基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测方法，其特征在于，在步骤S4中，所述导波信号特征参数包括到导波信号达时间差、幅值衰减系数、频率变化和能量变化；所述导波信号达时间差△t的计算公式为：其中，t2和t1分别为导波信号传播至不同传感器位置的时间；其中，A₁和A₂分别为导波信号传播至不同传感器位置的幅值；频率变化Xf)的计算公式为：其中，x(n)为时间域信号；N表示信号的总采样点数，拉数，j表示虚数单位；能量变化通过导波信号的瞬时能量表达，瞬时能量E的计算公式为：其中，S表示传感器接收到的时域导波信号，表示信号在时间t的幅值，能量变化用于评估冲刷区域对导波信号吸收的影响。8.根据权利要求3所述的基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测方法，其特征在于，在步骤S5中，桥墩-土壤-水域耦合有限Mū+Cū+Ku=F速度和加速度向量；F为外部激发力向量。9.根据权利要求3所述的基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测方法，其特征在于，在步骤S6中，智能分析模块通过机器学习或深度学习算法建立导波信号特征与冲刷深度的非线性映射关系。410.根据权利要求9所述的基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测方法，其特征在于，在步骤S6中，采用已标定的冲刷深度数据作为训练集，输入到机器学习或深度学习算法中，导波信号特征与冲刷深度的所述非线性映射关系，非线性映射关系的表达式为：其中，dc为冲刷深度；tdelay为反射波的时延；A为反射波的幅值；freq为频率变化。5技术领域[0001]本发明属于桥梁工程检测技术领域，特别是涉及基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统及方法。背景技术[0002]桥墩基础冲刷是桥梁结构失效的重要诱因之一，尤其在洪水、地震等极端环境下，桥墩周围的土壤或基础材料被侵蚀或冲刷可能导致桥墩失稳甚至倒塌。当前，桥墩冲刷检测方法主要包括人工潜水检测、水下声呐探测和地质雷达法。然而，这些方法存在显著局限性：人工潜水检测依赖于潜水员的作业能力，不仅成本高、安全风险大，而且受水流湍急和水质浑浊的限制，检测效率低；声呐探测和地质雷达虽然能够提供一定精度的冲刷信息，但设备复杂、操作成本高，且在复杂水文条件下难以获得稳定结果。[0003]近年来，利用导波传播特性检测桥墩基础状态的方法逐渐受到关注。导波信号在结构和介质中的传播特性(如波速、衰减、频率变化等)与基础冲刷密切相关，成为评估桥墩冲刷的有效途径。然而，现有导波检测方法大多局限于水下环境，信号激发与接收困难，数据处理和分析依赖于经验判断，无法实现自动化和定量化。发明内容[0004]针对于上述问题，本发明旨在提供了一种基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统及方法，解决了现有的桥墩冲刷检测方法存在的检测效率低的问题。[0005]为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：提供了基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统，其包括相互电性连接的所述激发装置设置于桥梁上，用于产生导波信号；所述传感器模块包括设置于桥墩基础不同高度上的水上加速度传感器和水下水听传感器；所述数据采集模块用于接收传感器模块采集的信号数据并对信号数据进行数字化处理；所述信号处理模块对数字化处理后的信号数据进行预处理并存储；所述数值模拟模块通过建立三维有限元模型，模拟导波在不同介质中的传播特所述智能分析模块建立导波特征参数与冲刷深度的非线性映射关系，实现冲刷区域的自动定位和深度定量评估。[0007]本发明还提供一种基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统的方法，其包括步骤：S1、桥面激发：在桥梁上布置激发装置，激发装置对桥梁施加冲击力，产生导波信6号，导波信号沿桥梁结构传递至桥墩和基础；S2、在桥墩水上部分的不同高度位置布置水上加速度传感，在桥墩水下部分的不同深度位置布置水下水听传感器，水上加速度传感和水下水听传感器同步接收导波信号的S3、通过数据采集模块对接收到的导波信号进行实时同步采集并对导波信号进行数字化处理，通过信号处理模块对数字化处理后的导波信号进行预处理并存储；S4、对预处理的导波信号进行导波信号特征参数提取，获得导波信号特征参数；S5、通过数值模拟模块构建桥墩-土壤-水域耦合有限元模型，模拟不同冲刷深度条件下导波的传播特性；S6、通过智能分析模块建立导波信号特征与冲刷深度的非线性映射关系，完成冲刷区域的自动定位和深度定量评估。[0008]本发明中基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测方法，通过在桥面激发导波信号，在桥墩周围布置多点传感器同步接收信号，并结合数值模拟和智能算法，构建冲刷深度与信号特征的映射关系，实现冲刷区域的精准定位与定量化评估。通过选用导波信号特征提取结合有限元数值模拟分析的方法，可在复杂水文条件下高效完成桥墩基础冲刷的检[0009]进一步地，在步骤1中，所述激发装置为落锤装置，激发装置对桥梁施加冲击力的计算公式为：F(t)=Fo·sin(wt);激发装置冲击力的激发频率fexcite的计算公式为：其中，F(t)表示随时间变化的冲击力，用于在桥面产生导波信号；Fo表示冲击力相匹配。[0010]进一步地，在步骤S2中，水上加速度传感和水下水听传感器接收到的导波信号满足波动方程：度；u为位移场。水上加速度传感和水下水听传感器接收到的导波信号为时域波形，其传播路径和衰减特性包含了介质的物理信息，为后续分析提供数据支撑。[0011]进一步地，在步骤S3中，所述预处理包括对导波信号进行滤波、去噪和归一化处理。具体地，采用低通滤波器去除高频噪声进行滤波处理；使用小波变换分离信号与背景噪声进行去噪处理；归一化处理为将信号幅值和频率标准化，确保特征提取的一致性。7[0012]进一步地，在步骤S4中，所述导波信号特征参数包括到导波信号达时间差、幅值衰所述导波信号达时间差△t的计算公式为：其中，t2和t1分别为导波信号传播至不同传感器位置的时间；其中，A₁和A₂分别为导波信号传播至不同传感器位置的幅值；频率变化X(f)的计算公式为：X(f)=Zn=1x(n)·e-j2π能量变化通过导波信号的瞬时能量表达，瞬时能量E的计算公式为：其中，S表示传感器接收到的时域导波信号，表示信号在时间t的幅值，能量变化用于评估冲刷区域对导波信号吸收的影响。[0013]进一步地，在步骤S5中，数值模拟模块选用有限元法(FEM)模拟导波在桥墩基础与土壤介质中的传播特性，构建桥墩-土壤-水域耦合模型，桥墩-土壤-水域耦合有限元模型的表达式为：Mu+Cú+Ku=F[0015]桥墩-土壤-水域耦合模型边界条件设定：桥墩-土壤界面为吸收边界，用于模拟波的衰减；土壤-水体界面设置反射系数，描述波在冲刷区域的反射特性。通过模拟不同冲刷深度条件下的导波传播特性，生成训练数据集，为智能分析提供基础数据。[0016]进一步地，在步骤S6中，智能分析模块通过机器学习或深度学习算法建立导波信号特征与冲刷深度的非线性映射关系。[0017]进一步地，在步骤S6中，机器学习和深度学习算法为随机森林、支持向量机或卷积神经网络。采用已标定的冲刷深度数据作为训练集，输入到机器学习或深度学习算法中，导波信号特征与冲刷深度的所述非线性映射关系，非线性映射关系的表达式为：[0019]本发明的有益效果为：本发明中的一种基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统及方法，通过桥面激发导波，无需水下作业，检测效率显著提高，具有高效率的优点；多点接收与特征分析8提升信号质量，评估结果更加准确，具有检测精度高的优点；冲刷深度与特征参数的映射关系实现了冲刷区域的精确定位和量化；适用于不同类型桥墩和复杂水文条件下的冲刷检测，能够显著提升桥墩基础的安全评估效率和可靠性。附图说明[0020]图1为一种基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统的原理框图。[0021]图2为导波传播路径示意图。[0022]图3为桥墩-土壤-水有限元模型示意图。[0023]图4为数据处理流程图。[0024]图5为智能分析模块的中智能分析模型的结构图。具体实施方式[0025]下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。[0026]如图1所示，本发明提供了基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统，其包括相互电性连接的激发装置、传感器模块、数据采集模块、信号处理模块、数值模拟模块和智能分析模块；所述激发装置设置于桥梁上，用于产生导波信号；所述传感器模块包括设置于桥墩基础不同高度上的水上加速度传感器和水下水听传感器；所述数据采集模块用于接收传感器模块采集的信号数据并对信号数据进行数字化处理；所述信号处理模块对数字化处理后的信号数据进行预处理并存储；所述数值模拟模块通过建立三维有限元模型，模拟导波在不同介质中的传播特性，获取导波传播特性；所述智能分析模块建立导波特征参数与冲刷深度的非线性映射关系，实现冲刷区域的自动定位和深度定量评估。[0027]进一步地，所述激发装置设置于桥梁的伸缩缝、支座位置或桥面上。在桥面上通过适当的激发装置激发导波信号，在本实施例中，激发装置为金属锤或冲击装置。通过外部冲击产生应力波，进而激发桥梁结构中的导波。具体而言，可以在桥梁的伸缩缝、支座位置或桥面其他合适位置进行激发。选择这些位置是基于以下考虑：这些位置能够有效传递导波，特别是当波传播至桥墩基础时，信号能够不被阻碍或衰减。桥面激发导波后，波传播路径较为简单，能迅速传递至桥墩并与基础进行相互作用。[0028]在实施时，激发装置会向桥梁结构施加一个冲击力，生成纵波(P波)和横波(S波)。通过控制冲击力的大小和方向，可以获得不同频率的导波信号。[0029]如图2所示，展示了在桥墩周围激发导波信号后的传播路径。信号通过激发装置在桥面发出后，沿着桥梁结构传导至桥墩并传播至土壤和基础。图中标注了信号的传播方向、反射波的方向以及不同深度位置的传感器接收到的反射信号。不同介质(如土壤、桥墩、基础)中的波速会发生变化，尤其在冲刷区域，波速和衰减特性会发生显著变化。通过分析信号的时延、幅值衰减和频率变化，可以推断冲刷区域的位置和深度。[0030]本发明还提供一种基于桥面锤击导波的桥墩基础冲刷定量检测系统的方法，其包括步骤：9S1、桥面激发：在桥梁上布置激发装置，激发装置对桥梁施加冲击力，产生导波信号，导波信号沿桥梁结构传递至桥墩和基础。具体地，导波信号的传递过程如图2所示，在步骤1中，所述激发装置为落锤装置，激发装置对桥梁施加冲击力的计算公式为：F(t)=Fo·sin(wt);激发装置冲击力的激发频率fexcite的计算公式为：其中，F(t)表示随时间变化的冲击力，用于在桥面产生导波信号；F₀表示冲击力性模量；p为桥墩材料的密度；L为桥墩的特征长度；激发频率fexcite与桥梁结构的共振频率相匹配。激发信号通过桥梁的连续结构传递，最终进入桥墩基础区域，为后续信号分析提供激励源。[0031]S2、在桥墩水上部分的不同高度位置布置水上加速度传感，在桥墩水下部分的不同深度位置布置水下水听传感器，水上加速度传感和水下水听传感器同步接收导波信号的传播、反射及透射；具体地，在步骤S2中，水上加速度传感和水下水听传感器接收到的导波信号满足波动方程：度；u为位移场。水上加速度传感和水下水听传感器接收到的导波信号为时域波形，其传播路径和衰减特性包含了介质的物理信息，为后续分析提供数据支撑。每个传感器都具有同步采集功能，能够实时接收信号并将其转换为数字数据。水上加速度传感主要用于测量桥墩上方和水下区域的振动响应。通过布置在不同高度的多个加速度传感器，能够获得信号的传播路径与衰减特性，进而推算出冲刷深度。[0032]听传感器用于接收经过水下介质传播的导波信号。由于水的介质特性，波速和衰减与空气中的信号有较大差异，因此需要特别考虑其在不同水深和水文条件下的传播特性。[0033]S3、通过数据采集模块对接收到的导波信号进行实时同步采集并对导波信号进行数字化处理，通过信号处理模块对数字化处理后的导波信号进行预处理并存储；具体地，在步骤S3中，所述预处理包括对导波信号进行滤波、去噪和归一化处理。具体地，采用低通滤波器去除高频噪声进行滤波处理；使用小波变换分离信号与背景噪声进行去噪处理；归一化处理为将信号幅值和频率标准化，确保特征提取的一致性。如图4所示，图4详细展示了数据处理的流程，从信号采集到特征提取的全过程。首先，传感器接收导波信号并将其传输到频率变化等特征，进一步对特征数据进行归一化处理。最终，通过机器学习算法进行分析和评估，输出冲刷区域的定量化深度信息。此流程能够高效地将传感器数据转化为精准的冲刷检测结果。[0034]S4、对预处理的导波信号进行导波信号特征参数提取，获得导波信号特征参数；具体地，根据接收到的导波信号，提取地面线(或冲刷界面)的反射波。反射波的特征直接与桥墩基础的结构性变化相关，如冲刷的深度和范围。反射波的幅值、到达时间、频率变化等参数是评估冲刷程度的重要依据。利用多点接收系统得到的反射波数据，分析其时延、幅值变化及波形变化，进而推算出桥墩基础冲刷区域的位置和深度。通过对反射波进行特征提取，获取重要的导波信号特征参数，导波信号特征参数包括到导波信号达时间差、幅值衰减所述导波信号达时间差△t的计算公式为：其中，t2和t1分别为导波信号传播至不同传感器位置的时间；反射波到达传感器其中，A₁和A₂分别为导波信号传播至不同传感器位置的幅值；幅值衰减系数a反映信号传播路径的能量损失；反射波幅值的衰减程度反映了介质的变化，冲刷区域的波速变化会导致信号幅值的衰减。[0036]频率变化Xf)的计算公式为：示欧拉数，j表示虚数单位.能量变化通过导波信号的瞬时能量表达，瞬时能量E的计算公式为：其中，S表示传感器接收到的时域导波信号，表示信号在时间t的幅值，能量变化用于评估冲刷区域对导波信号吸收的影响.由于冲刷区域的介质特性发生变化，导波的传播速度会发生改变，进而导致频率的偏移。通过对这些特征的分析，可以对冲刷区域的深度进行定量评估。常用的特征提取方法包括时频分析(例如小波变换)和谱分析。[0037]S5、通过数值模拟模块构建桥墩-土壤-水域耦合有限元模型，模拟不同冲刷深度条件下导波的传播特性；如图3所示，图3展示了桥墩基础区域的有限元分析模型，图中包括了桥墩、土壤以及水域的计算域。